暗管排水与秋葵种植协同改良滨海盐土的施肥效应研究

谭 攀，王士超，谢 锦，蒋高乾，韩立朴

（1.中国科学院 遗传与发育生物学研究所 农业资源研究中心/河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院农业水资源重点实验室/中国科学院盐碱地资源高效利用工程实验室，河北 石家庄 050022；2.中国科学院大学，北京 100049）

全球土壤盐渍化造成土壤退化与荒漠化并威胁粮食安全[1‐2]。盐碱地在全世界分布广泛，并不断蔓延[3]。研究表明，全球有75 个国家受到土壤盐渍化的影响，总面积约9.5×107hm2[4]。河北省适宜开发而未利用的盐碱地面积约7.83×104hm2[5]，具有较大的开发潜力。盐碱地开发利用的方法有工程改良方法、物理改良方法、化学改良方法和生物改良方法等[6]。暗管排水工程属于工程改良方法之一，是一种利用在田间埋设带有孔隙的暗管高效排水排盐的方法[7]。暗管工程不仅能高效降低地下水埋深，使作物免受涝害，还能够通过淋洗作用，加快土壤脱盐；除此之外，暗管可以改变整个生命周期内作物根层土壤水、气状况[8]，调节和优化作物根层土壤环境。有研究指出，在河北滨海盐碱区埋设暗管可以短时间内将水分排出，从而防止次生盐渍化，暗管排水排盐技术适合在河北滨海盐碱区应用[9]。

但暗管在排水排盐的同时也会造成养分淋失，曾文治等[10]通过模型模拟得出，暗管排水会伴随硝态氮的流失。因此，需要通过施肥来进行养分补偿。施肥对暗管排水的影响主要表现在两个方面。一方面，施肥会增加植物根系生物量，有利于根系在整个土壤剖面中的分布，从而增加土壤孔隙度，促进暗管排水排盐[11]。LEUNG 等[12]的研究表明，土壤稳定入渗速率与根生物量呈正相关关系，随根生物量的增加土壤稳定入渗速率也增加。张向前等[13]的研究表明，植物的根系可以增加土壤的大孔隙，使得土壤水和溶质以优先流的形式快速入渗，尤其根系发达的作物能够更好地疏通土壤，增加土壤导水性，加快土壤盐分淋洗。另一方面，尽管施肥能够改变土壤特性，降低土壤pH 值和可溶性盐含量，并增加土壤有机质含量[6]、降低土壤容重[14]、提高土壤孔隙度，但施肥在增加土壤中养分总含量的同时，也增加了暗管排水中养分的淋失量，从而加大了水体富营养化的风险。

秋葵（Abelmoschus esculentusL.）是一种锦葵科草本植物，主要生长在热带和亚热带[15]。秋葵为直根系，根系发达，抗旱能力较强[16]，在雨养或灌溉条件下的各种类型土壤上都可以种植[17]。秋葵肉质鲜嫩口感好，营养成分丰富，可以被应用于食品、药品和工业[18]。秋葵的种植还为农民提供了大量就业和创收机会[19]。马旭东[20]研究了盐胁迫对黄秋葵生理生化及品质的影响，指出在盐胁迫、碱胁迫浓度均为100 mmol/L 及盐碱胁迫浓度为50 mmol/L 时，能显著提高黄秋葵果实中可溶性蛋白、可溶性糖、黄酮和维生素C的含量。

但在河北滨海盐碱地上，秋葵种植与暗管排水结合条件下利用施肥的方式促进耐盐植物根系生长，从而促进暗管排水排盐改良盐碱地的效果方面还未见报道。因此，在暗管排水与秋葵种植结合改良盐碱地条件下，研究施肥对暗管排水、暗管排盐以及对土壤电导率、土壤含盐量的影响，有助于拓展盐碱地改良方法的组合创新。

鉴于此，拟采用秋葵种植与暗管排水结合的模拟箱法，在2020—2021年开展连续2 a的种植试验。通过设计不同施肥补偿方式，研究不同施肥处理暗管排水量、暗管排盐量、暗管排水盐分离子含量的差异以及土壤电导率、土壤含盐量的变化情况，以期探明何种补偿方式能够更好地淋洗出盐分，降低土壤含盐量，达到更好地脱盐改碱效果，揭示施肥促进土壤盐分淋洗的效应，构建秋葵种植与暗管排水结合下合理的施肥方案，为暗管改良盐碱地研究初期提供新的组合改良模式。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于河北省沧州市黄骅市南大港产业园区（38°51′ N、117°′42′ E），属于暖温带半湿润大陆性季风气侯，具有四季分明、雨热同期的气候特征，表现为春季少雨、夏季湿润、秋季晴朗、冬季寒冷。年平均气温12.7 ℃；最冷月为1 月，平均气温-4.8 ℃；最热月为7 月，平均气温26.5 ℃。无霜期188 d，年平均降水量557.4 mm。降雨年际变化大且年内分配不均，7—8月降水量占全年降水的75%以上。该地区临近渤海，淡水资源匮乏，大部分是盐碱地。

1.2 试验材料

秋葵品种为台湾五福黄秋葵（以下称秋葵），其根系发达且产量高。使用的土壤是试验地盐碱土。土壤充分混匀后经过1 cm 孔径筛，然后装入模拟箱。土壤化学性质以及各盐分离子含量如表1所示。

表1 试验地盐碱土土壤化学性质和盐分离子含量Tab.1 Physicochemical properties and salt ion content of saline soil in the experimental site

1.3 试验设计

设计4 个处理：有机肥（OM）、有机肥+化肥（NPK+OM）、化肥（NPK）与不施肥对照（CK），每个处理重复3次。采用单因素完全随机区组设计的方法，利用12个模拟箱开展模拟试验。模拟箱为聚乙烯板材质，长1.3 m、宽0.9 m、高1.0 m。箱体外面用钢管固定，板材之间的缝隙用塑料焊条焊接。模拟箱底部铺设1 根直径为4 cm 的波纹打孔管作为暗管，在暗管出口处安装阀门，用于控制排水。模拟箱底部铺设0.1 m 深的石英砂作为滤料，然后填充0.8 m深的匀质滨海盐碱土。分别于2020和2021年的5 月初播种，每个模拟箱种6 株秋葵，密度为5.31×104株/hm2，该密度为前期密度试验后得出的最佳种植密度[21]。施肥方案如表2 所示，其中，有机肥、磷肥、钾肥均作为底肥在播种前一次性施入。氮肥的60%作为底肥，40%作为追肥在秋葵初花期撒施于土壤表面。播种前施用底肥，整个生育期内，视情况开展除虫和除草工作。在7—9 月降雨>70 mm时收集暗管排水，在7—10月，每3 d收获1次秋葵果实，在初霜前开展土壤取样工作。

表2 暗管与秋葵协同改良滨海盐土的施肥方案Tab.2 Fertilization scheme of subsurface pipe and okra for synergistic improvement of coastal saline soil

1.4 试验方法

1.4.1 暗管排水量测定 在7—9月，当降雨量大于70 mm 时，打开阀门进行暗管排水。用量筒测量排水量，然后将水样装瓶置于低温冰箱保存。2020 年一共进行4 次排水，分别在7 月11 日、8 月4 日、8 月18日、8月26日进行，将上述4次排水的累计暗管排水量作为1 a内排水量的总和。

1.4.2 暗管排盐量测定 利用离子色谱仪测定2020 年暗管4 次排水中盐分离子含量，包括钠离子（Na+）、钾离子（K+）、钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）、氯离子（Cl-）和硫酸根（SO42-）离子。用滴定法测定碳酸根（CO3-）和碳酸氢根（HCO3-）离子含量。暗管排盐量为各盐分离子排出量的总和。

1.4.3 土壤电导率与土壤含盐量测定 将土壤装入模拟箱时，采集每个模拟箱的初始样品，并装入自封袋保存。2020 年试验结束时，采用土钻取土，分别钻取0～20、20～40、40～60、60～80 cm土层的土壤样品。同一土层深度钻取3 个点做成混合土样，并装入自封袋保存。2021 年试验结束时，拆开模拟箱，采用土壤切割的方法，获取模拟箱中0～20、20～40、40～60、60～80 cm 土层的土壤样品。将土样晾晒风干后用研钵磨碎，过2 mm 筛后装入自封袋密封保存。采用1∶5 土水比浸提得到土壤浸提液，测定土壤电导率；利用离子色谱仪测定盐分离子含量，包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-和SO42-；用滴定法测定C和HCO3-含量。土壤含盐量为各盐分离子含量的总和。

1.5 数据统计与分析

使用Excel 2021 对数据信息进行汇总、统计与分析。使用SPSS Statistics 21对数据进行方差分析，然后采用LSD法进行多重比较，利用Origin Pro 2023绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对滨海盐土暗管排水量的影响

施肥增加了模拟箱暗管排水量，不同施肥处理累计暗管排水量比CK 高44.50%～74.55%（图1）。在2020 年，不同施肥处理累计暗管排水量表现为NPK+OM 处理>OM 处理>NPK 处理>CK。其中OM处理、NPK+OM 处理、NPK 处理的累计暗管排水量分别比CK 高58.63%、74.55%、44.50%。单次暗管排水量总体呈递增的趋势，在第1次排水时，不同施肥处理暗管排水量相近，其中NPK+OM 处理和OM处理排水量略高于NPK 处理和CK。在第2 次排水时，不同施肥处理暗管排水量增加，OM 处理、NPK+OM 处理和NPK 处理暗管排水量分别比CK 高84.49%、106.12%、91.02%。在第3 次排水时，不同施肥处理暗管排水量迅速增加，以NPK+OM 处理增加得最快，排水量比CK高161.58%，OM处理和NPK处理排水量相近，分别比CK高93.42%、86.58%。在第4次排水时，不同施肥处理暗管排水量依然比CK高25.33%～31.66%。

图1 2020年不同施肥处理滨海盐土单次暗管排水量与累计暗管排水量Fig.1 Volume of single subsurface pipe drainage and cumulative subsurface pipe drainage under different fertilization treatments in coastal saline soil in 2020

方差分析结果表明，不同施肥处理累计暗管排水量差异不显著；同一排水次数不同处理排水量存在显著差异，第3次排水时，NPK+OM 处理排水量显著高于CK。对同一处理不同排水次数间的排水量进行多重比较发现，NPK+OM 处理、OM 处理和NPK处理第4 次排水的排水量均显著或极显著高于第1次，NPK+OM 处理和NPK 处理第3 次排水的排水量均显著高于第1次。

2.2 不同施肥处理对滨海盐土暗管排盐的影响

施肥增加模拟箱暗管排盐量，不同施肥处理累计暗管排盐量比CK 高33.35%～128.83%（图2）。累计暗管排盐量表现为NPK+OM 处理>OM 处理>NPK处理>CK。其中OM 处理、NPK+OM 处理、NPK 处理累计暗管排盐量分别比CK 高54.29%、128.83%、33.35%。单次暗管排盐量总体呈递增的趋势，第1次排盐时，排盐量最多的是NPK+OM 处理，比CK 高246.33%。第2次排盐时，不同施肥处理的排盐量相近且比CK 高185.36%～219.18%。第3 次排盐时，NPK+OM 处理排盐量分别比OM 处理、NPK 处理、CK 高40.78%、38.32%、208.36%。第4 次排盐时，只有NPK+OM 处理的排盐量比CK 处理高出50.87%，而OM处理与NPK处理排盐量与CK差别较小。

图2 2020年不同施肥处理滨海盐土单次暗管排盐量与累计暗管排盐量Fig.2 Amount of single subsurface pipe salt drainage and cumulative subsurface pipe salt drainage under different fertilization treatments in coastal saline soil in 2020

方差分析与多重比较结果表明，不同施肥处理累计暗管排盐量无显著差异。NPK+OM 处理第3次排盐量显著高于CK，第4次排盐量显著高于NPK处理。对相同处理不同排盐次数间的排盐量进行多重比较发现，NPK+OM 处理第4 次排盐量显著高于第2 次排盐量，CK 处理第4 次排盐量也显著高于第1次排盐量和第2次排盐量。

暗管4 次排水各盐分离子质量百分数如图3 所示。暗管排水盐分离子主要包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-。同一盐分离子不同施肥处理质量百分数相近，其中质量百分数较大的是Cl-（50%～53%）和Na（+22%），质量百分数较小的是K+（1%）、HCO3（-2%～3%）和Mg2（+3%）。不同施肥处理中SO42-的质量百分数较大的是NPK+OM 处理（16%）和OM处理（16%），较小的是NPK处理（14%）和CK（14%）。NPK+OM 处理、OM 处理、NPK 处理Ca2+质量百分数相同，均为5%，CK 的Ca2+质量百分数为4%。

图3 2020年不同施肥处理滨海盐土暗管排水各盐分离子质量百分数Fig.3 Mass percentages of each salt ion in subsurface pipe drainage under different fertilization treatments in coastal saline soil in 2020

施肥影响了各盐分离子的累计暗管排出量，不同施肥处理效果表现为NPK+OM 处理>OM 处理>NPK 处理>CK（图4）。OM 处理Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-的累计暗管排出量分别比CK 高53.17%、66.53%、56.25%、79.35%、45.19%、77.82%、75.07%。NPK+OM 处理Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-的累计暗管排出量分别比CK 高124.96%、138.04%、134.25%、163.29%、118.81%、162.04%、114.47%。NPK 处理Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-的累计暗管排出量分别比CK 高33.65%、50.88%、37.87%、42.11%、31.18%、31.95%、59.82%。通过方差分析与多重比较发现，NPK+OM处理K+、Mg2+、SO42-、HCO3-的累计暗管排出量均显著高于CK，而Na+、Ca2+和Cl-的累计暗管排出量与CK无显著差异。

图4 2020年不同施肥处理滨海盐土各盐分离子累计排出量Fig.4 Cumulative amount of each salt ion in subsurface pipe drainage under different fertilization treatments in coastal saline soil in 2020

2.3 不同施肥处理对滨海盐土土壤电导率与土壤含盐量的影响

施肥显著降低0～80 cm土层土壤电导率（图5）。在2020—2021 年，土壤电导率呈降低的趋势，且降低的效果随土层深度的增加而减弱。在2020年，与初始土壤电导率相比，0～20 cm 土层和20～40 cm 土层中均以NPK+OM 处理电导率降低幅度最大，分别降低了54.86%、46.44%。在40～60 cm 土层中，电导率降低幅度最大的是OM 处理，与初始土壤电导率相比，降低了24.82%。在60～80 cm 土层中，不同施肥处理电导率相近，与初始土壤电导率相比，降低了8.53%～13.93%。方差分析与多重比较结果表明，在2020年，不同施肥处理土壤电导率无显著差异。

图5 2020—2021年不同施肥处理滨海盐土0～80 cm土层深度土壤电导率Fig.5 Soil electrical conductivity in 0—80 cm depth of coastal saline soil under different fertilization treatments from 2020 to 2021

在2021 年，不同施肥处理0～80 cm 土层土壤电导率比初始值低44.82%～74.06%。土壤电导率总体表现为CK>NPK 处理>OM 处理>NPK+OM 处理。方差分析与多重比较结果表明，在2021年，0～40 cm土层中，NPK+OM 处理土壤电导率显著低于CK；在40～80 cm 土层中，不同施肥处理土壤电导率差异不显著。对相同处理不同年份间土壤电导率进行多重比较发现，在2020—2021 年，0～80 cm 土层中，所有处理土壤电导率均在P<0.001的水平上低于初始值。

在2020—2021 年，不同施肥处理对0～80 cm 土层土壤含盐量产生了显著影响（图6）。不同土层土壤含盐量总体上表现为60～80 cm土层>40～60 cm土层>20～40 cm土层>0～20 cm土层。年际间不同土层土壤含盐量表现为初始>2020年>2021年。

图6 2020—2021年不同施肥处理滨海盐土0～80 cm土层深度土壤含盐量Fig.6 Soil salt content in 0—80 cm depth of coastal saline soil under different fertilization treatments from 2020 to 2021

在2020 年，与初始土壤相比，土壤含盐量均降低，并且随土层深度的增加，降低效果减弱。在0～20 cm 土层中，以NPK+OM 处理含盐量最低，为1.18 g/kg；其次是OM 处理，为1.44 g/kg；NPK 处理和CK 相近。在20～40 cm 土层中，NPK+OM 处理含盐量比CK 低了25.90%，而OM 处理和NPK 处理仅分别比CK 低10.16%、1.06%。在40～80 cm 土层中，不同施肥处理土壤含盐量相近。通过方差分析与多重比较发现，2020 年不同施肥处理土壤含盐量差异不显著。

在2021年，不同施肥处理土壤含盐量比初始值低24.97%～66.80%。土壤含盐量表现为CK>NPK 处理>OM 处理>NPK+OM 处理。在0～20 cm 土层中，OM 处理、NPK+OM 处理、NPK 处理土壤含盐量分别比CK 低23.45%、37.85%、12.79%。在20～40 cm 土层中，OM 处理、NPK+OM 处理、NPK 处理土壤含盐量分别比CK 低15.46%、31.69%、5.92%。在40～60 cm 中，OM 处理、NPK+OM 处理、NPK 处理土壤含盐量分别比CK 低9.22%、19.36%、9.69%。在60～80 cm 土层中，NPK+OM 处理土壤含盐量最低，为1.52 g/kg，OM 处理和NPK 处理土壤含盐量与CK 相近。通过方差分析与多重比较发现，在2021 年，0～20 cm 土层中，NPK+OM 处理和OM 处理土壤含盐量均显著或极显著低于CK；在20～80 cm 土层中，不同施肥处理土壤含盐量差异不显著。

通过对相同处理不同年份土壤含盐量进行多重比较发现，在2020 年，不同施肥处理0～60 cm 土层的土壤含盐量均显著或极显著低于初始值。在2021年，不同施肥处理在60～80 cm土层的土壤含盐量均显著或极显著低于2020 年，且0～80 cm 土层的土壤含盐量均在P<0.01或P<0.001的水平上低于初始值。

3 结论与讨论

3.1 施肥可促进滨海盐土暗管排水

在我国北方的滨海盐碱地，主要存在的问题有土壤含盐量高、容重大、孔隙度低、易板结等[22]。在本研究中，不同施肥处理增加了暗管排水量，一方面可能是因为在暗管排水与秋葵种植相结合条件下，施肥促进了秋葵根系的生长，增加了土壤大孔隙，有利于土壤中优先流的产生，从而加快水分下渗速率，增加暗管排水量。另一方面，可能是因为施肥促进土壤团聚体的形成，有效增加土壤通气性，降低土壤容重，从而增加暗管排水量[14]。其中，在第4 次暗管排水时，NPK+OM 处理暗管排水量低于OM 处理，可能是因为NPK+OM 处理秋葵叶片生长更旺盛，降雨时雨水会沿着叶片流到模拟箱外，导致模拟箱的暗管排水量减少。

在本研究中，单次暗管排水量整体呈增加趋势。一方面可能与暗管排水与秋葵种植相结合条件下秋葵根系的生长有关，在第1 次排水和第2 次排水时，秋葵的根生物量较少且分布较浅，对水分的入渗影响较小，随时间推移，秋葵根系不断生长，在第3 次排水和第4 次排水时，暗管排水与秋葵种植相结合条件下秋葵的根生物量增加且分布较深，从而增加了暗管排水量。另一方面可能与土壤含水量有关，在第1 次排水和第2 次排水时，土壤比较干燥，导致暗管排水量少，在第3 次排水和第4 次排水时，土壤经过前2次排水的淋洗变得更加湿润，暗管排水量增加。冯云格等[11]的研究结果表明，香瓜茄根系的生物量、根长密度、根表面积密度、根体积密度和根尖数均随着生育进程呈显著增加趋势，并且在施肥条件下，香瓜茄各生育时期的根系指标均显著高于不施肥处理。

3.2 施肥可促进滨海盐土暗管排盐

根据“盐随水来，盐随水去”的运移规律，暗管在排走水分的同时也带走了盐分[23‐24]。在暗管排水与秋葵种植相结合条件下，不同施肥处理显著增加了暗管排盐量，其中以NPK+OM 处理效果最好，且单次暗管排盐量整体呈增加的趋势。这与暗管排水的结果相符合，第1 次排水和第2 次排水的排水量少，所以淋洗出来的盐分较少。随时间推移，第3次排水和第4次排水的排水量不断增加，淋洗出来的盐分也随之增加。暗管排水的水溶性盐分离子质量百分数显示，Cl-、Na+、SO42-、Ca2+质量百分数较高，而K+、HCO3-、Mg2+含量较少。这可能与土壤性质与离子迁移速度有关，李婧男等[25]指出，在滨海盐土中Na+是主导的阳离子，占阳离子总量的70%以上，其次是Ca2+，而K+和Mg2+含量较小。刘慧涛等[26]认为，土壤中盐分离子在随水迁移时以Cl-的迁移速度最快。本研究中，不同的施肥处理盐分离子排出量以Cl-排出量最多而K+排出量最少，这与前人研究结果相似。罗浩[27]、窦旭等[28]等的研究也得到相似的结论。

3.3 施肥可降低滨海盐土土壤电导率与含盐量

土壤浸提液电导率反映土壤盐渍化程度[29]。本研究中，随时间推移，土壤含盐量与土壤电导率均降低，且表层土壤的含盐量低于深层。这与张勇康等[30]的研究结果相似，一方面，在暗管排水与秋葵种植相结合条件下施肥能够促进秋葵生长，秋葵在生长过程中会从土壤中带走部分盐分。另一方面，在暗管排水与秋葵种植相结合条件下施肥能够促进秋葵根系生长，起到疏松土壤的作用，这有助于增加土壤的通气性与透水性，经过自然降雨的淋洗作用，从而促进盐分排出土体，达到降低土壤盐分含量的效果[31‐32]。本研究中，表层土壤电导率和土壤含盐量低于深层，这可能是因为在暗管排水与秋葵种植相结合条件下，秋葵的根系大多生长在0～60 cm 土层中，且表层土壤中的根生物量最高，从而导致0～60 cm 土层土壤淋洗效果更好[33]。不同施肥处理土壤电导率和土壤含盐量均低于CK，且均以NPK+OM 处理效果最好。这与前人结果相似，姚宝林等[34]指出，在种植红枣的条件下，洗盐主要集中在0～40 cm 土层中。张密密等[35]指出，不同施肥模式下试验1 a 后，0～60 cm 土层中土壤含盐量变化最明显，而60～100 cm 土层中无太大变化，且在100 cm处基本没有变化。本研究中，在2020 年，不同施肥处理间的土壤电导率、土壤含盐量均无显著差异，可能是受施用量和施用年限的限制，随年份增加，在2021年出现了显著性差异。

综上，在暗管排水与秋葵种植相结合改良盐碱地的过程中，施肥能够促进暗管排水和暗管排盐，降低土壤电导率与土壤含盐量，最终达到较好的改良效果。施肥通过增加暗管排水量，从而促进盐分离子随水排出土体，增加暗管排盐量。暗管排水所含盐分离子中，以Na+和Cl-的排出量较多。施肥对土壤电导率和土壤含盐量产生了显著影响，土壤电导率和土壤含盐量均显著降低，且对表层土壤的效果大于深层土壤。同时，本研究比较了NPK+OM 处理、NPK 处理、OM 处理效果后发现，NPK+OM 处理对暗管排水与暗管排盐的促进效果最好，土壤含盐量降低得最快。因此，在本研究条件下，以有机肥和化肥一起施用促进暗管排水与暗管排盐的效果最好，并能降低土壤含盐量，是最佳的施肥补偿方式，秋葵种植条件下能够加快盐碱地改良的速度并产生较好的效果。